Пластмасса научилась сигнализировать о критических механических нагрузках. Благодаря специальным включениям -- механофорам она краснеет от слишком сильного растяжения и становится фиолетовой при сильном сжатии.
Химики давно бьются над созданием «умных» материалов, которые смогут самостоятельно регистрировать изменение внешних условий и откликаться на них изменением структуры или свойств. Ученые уже разработали самозалечивающийся пластик. Материал содержит капсулы с катализатором, который высвобождается при образовании трещины и затягивает ее.
В поисках механофоров
Но есть и другой подход. Не включая в состав материала дополнительные элементы, заставить работать «с умом» сами молекулы, составляющие материал. Именно эту задачу взялись решить химики и материаловеды из университета Иллинойса в Урбане-Шампэйн. Они решили научить полимерные молекулы чувствовать механическое напряжение и реагировать на него заметным и понятным человеку способом.
Собственно, сам принцип подобной реакции ученые из Иллинойса разработали еще два года назад. Они придумали молекулу, которую назвали механофор (от корня греческого слова «механика» и форео -- «нести»). Слово появилось по аналогии с хромофорами -- группами атомов, окрашивающими материал из-за особенностей поглощения ими световых лучей. Правда, первые механофоры работали только в растворе – механическое напряжение «доставлялось» к молекулам с помощью возбуждения ультразвуком.
Следующим шагом стала проверка данного принципа в твердой системе. Что вполне естественно, так как большинство материалов, которые нас окружают в повседневной жизни, твердые. Да и применение открытие может найти только в твердых материалах. В последнем номере журнала Nature исследователи сообщают, что проверка удалась.
Как это работает
Ученым удалось включить механофорную группу в распространенные полимеры – полиметилакрилат и полиметилметакрилат. Первый – эластомер, то есть очень эластичный полимер. Его исследователи растягивали до предельного напряжения, приводящего к разрыву. Незадолго до разрушения образца в месте будущего разрыва полимера появлялась ярко-красная окраска.
Полиметилметакрилат, напротив, стеклообразный полимер. В нем химические связи присутствуют не только внутри отдельной полимерной цепи, но и между разными макромолекулами. Из-за такой структуры полимер плохо тянется. Он более жесткий, но при этом хрупкий. Образец такого полимера, модифицированный механофорными группами, испытывали на сжатие. При достаточно высокой нагрузке полимер из бесцветного становился фиолетовым.
Где пригодятся механофоры
В том, что такие полимеры с цветоиндикацией механических нагрузок обязательно найдут применение, сомневаться не приходится. Их можно использовать в покрытиях конструкционных элементов самых разных систем: от мостов до крыльев самолета. Ведь предупреждение инженеров и обслуживающего персонала о грозящем повреждении жизненно важной конструкции – важная задача, особенно для пластиковых изделий. Ведь если для таких материалов, как металл или бетон, существуют методики определения нагрузки и усталости с помощью визуальной или ультразвуковой дефектоскопии, то для пластиков их практически нет.
Возможно также, что удастся использовать аналогичную стратегию для создания широкого и разнообразного класса механофоров с иными функциями. Например, они смогут запускать химические реакции, которые будут вызывать упрочнение полимерной молекулы при критических нагрузках. «Воодушевляет именно то, что мы разработали общий подход», -- говорит Нэнси Соттос (Nancy Sottos), руководитель исследования.
